１９４１．４月、陸軍航空本部は理化学研究所に原子爆弾の開発を委託した。

　１９４２年、アメリカ合衆国によるマンハッタン計画が開始される。

　１９４３．１月、同研究所の仁科博士を中心にニ号研究が開始された。この計画は天然ウラン中のウラン235を熱拡散法で濃縮するもので、１９４４．３月に理研構内に熱拡散塔が完成し、濃縮実験が始まった。ニ号研究に投入された研究費は、当時の金額で約2000万円であった。ちなみに、アメリカのマンハッタン計画には、約12万人の科学者・技術者と約22億ドル（約103億4千万円、当時の1ドル＝4.7円）が投入されている。

　当時は岡山県と鳥取県の県境に当たる人形峠にウラン鉱脈があることは知られておらず、1944年から朝鮮半島、満洲、モンゴル、新疆の地でもウラン鉱山の探索が行われたが、はかばかしい成果がなかった。同年12月に日本陸軍は福島県石川郡石川町でのウラン採掘を決定、1945年4月から終戦まで旧制私立石川中学校の生徒を勤労動員して採掘させた。しかし、そこで採掘される閃ウラン鉱・燐灰ウラン石・サマルスキー石等は、ごく少量であり、ウラン含有率も少ないものであった。一方、日本海軍は、中国の上海におけるいわゆる闇市場で130kgの二酸化ウランを購入する。

　当時、チェコのウラン鉱山がナチス・ドイツ支配下にあったので、ナチス・ドイツの潜水艦（U-234）による560kgの二酸化ウラン輸入も試みられたが、日本への輸送途中でドイツの敗戦となり、同艦も連合国側へ降伏してしまった（この点に関して、詳細はU-234及び遣独潜水艦作戦の項目参照）。こうして、どちらにせよ原子爆弾1個に必要な臨界量以上のウラン235の確保は絶望的な状況であった。

　また、技術的には、理化学研究所の熱拡散法はアメリカの気体拡散法（隔膜法）より効率が悪く、10%の濃縮ウラン10kgを製造することは不可能と判断されており、京都帝国大学の遠心分離法は1945年の段階でようやく遠心分離機の設計図が完成し材料の調達が始まったところだった。

　原爆の構造自体も現在知られているものとは異なり、容器の中に濃縮したウランを入れ、さらにその中に水を入れることで臨界させるというもので、いわば暴走した軽水炉のようなものであった。濃縮ウランも10%程度ものが10kgで原爆が開発できるとされており、理論自体にも問題があった。しかし、1999年9月の東海村JCO臨界事故は、この構造で爆弾にはならないが、殺傷可能な兵器になることの悲しい証明となった。

　1944年2月13日、海軍大佐高松宮宣仁親王（昭和天皇弟宮）以下、迫水久常（内閣参事官）、仁科存（東北大）、湯川秀樹（京大）、菊池正士（技研）、中野秀五郎（東大）、仁科芳雄（理研）、西谷啓治（京大）、水島三一郎（東大）、仁田勇（阪大）、渋沢敬三（日銀副総裁）、水間一郎（技研）、深川修吉（日本無電）が会合。

　１９４５．５．１５日、アメリカ軍による東京大空襲で熱拡散塔が焼失したため、研究は実質的に続行不可能となった。その後、地方都市（山形、金沢、大阪）での再構築をはじめたが、同6月に陸軍が研究を打ち切り、7月には海軍も研究を打ち切り、ここに日本の原子爆弾開発は潰えた。原爆投下の直後の1945年8月14日のポツダム宣言受諾時、日本の原爆開発は最も進んだところでも結局は基礎段階を出ていなかった。
　1945年7月21日、琵琶湖ホテルで、京大と海軍の第一回合同会議が開かれている。出席者は　京大から荒勝文策、湯川秀樹、小林稔、佐々木申二、海軍から北川敬三少佐、三井再男大佐、東京計器顧問の新田重治。

　これによれば、昭和天皇が、「人類滅亡の悪の宗家になる。人類滅亡の原因が我ら大和民族であってはならない」として原子爆弾の研究禁止を通告したことになる。これにより、軍部の核兵器研究は極度に内密に研究されて行くことになった。しかし、このことが昭和天皇に知れ渡り再度研究の禁止が通告されている。

　広島、長崎に原子爆弾を投下された。昭和天皇は玉音放送の中で次のように言及している。

　ニ号研究・F研究には当時の日本の原子物理学者がほぼ総動員され、その中には戦後ノーベル賞を受賞した湯川秀樹（F研究）も含まれていた。関係者の中からは、戦後に湯川を始め被爆国の科学者として核兵器廃絶運動に深く携わる者も現れるが、戦争中に原爆開発に関わったことに対する釈明は行われなかった。この点に関し、科学史を専門とする常石敬一は次のように批判している。

　１９５３．１２．８日、アイゼンハワーアメリカ合衆国大統領が国連総会で「原子力の平和利用(Atoms for Peace)」と題する演説を行い、日本にも原子力を平和のために利用することの道が開かれてから、日本は原子力開発を非軍事に限定して積極的に行ってきた。理由は石油などのエネルギー源をほとんど海外に依存している事への危険感からである。

　１９５４年、初の原子力予算を成立させ、日本原子力研究所を設置した。これを皮切りに、複数の大学や民間企業が研究用原子炉を建設し、原子力発電を主目的として核技術の研究を再開した。更に核燃料サイクルの完成を目指して、高速増殖炉（常陽ともんじゅ）や新型転換炉（ふげん）、再処理工場（東海再処理施設と六ヶ所再処理工場）などの開発を積極的に行っている。この分野では核兵器非保有国の中で最も進んでおり、原料となる使用済み核燃料も大量に保有している。なお、原子力基本法では「原子力の研究、開発および利用は、平和目的に限る」と定められており、核燃料の供給国と結ばれた二国間の原子力協定でも、軍事転用や核爆発装置の開発が行われた場合の返還義務を明示している。

　１９６９年、核拡散防止条約調印後、日本の外務省高官が西ドイツ外務省の関係者を箱根に招いて、核保有の可能性を探る会合を持っていた事実が明らかにされた（２０１０．１０．３日、放映のNHKスペシャル「核を求めた日本」で、元外務事務次官の村田良平（２０１０．３月、死去）の証言その他による）。当時の佐藤内閣が、専門家の意見を集めた上で内閣情報調査室に極秘に核兵器の製造能力についての報告書を作成させていた事実も明らかにされた。報告書では外交・内政上の障害を理由に「有効な核戦力を持つには多くの困難がある」と結論づけていた。これらの背景には１９６４年に中国が核保有国となったことが挙げられている。

　この報道を受けて外務省は、省内で調査をおこなった結果を同年１１．２９日に報告書として発表した。それによると、日本と西ドイツの外交当局者が１９６９年に「政策企画協議」を東京で開催した後に箱根で懇談した事実を確認し、「政策企画協議」自体は「自由な意見交換が目的で、政策の交渉や調整の場ではない」としたものの、西ドイツ側関係者の証言などに基づき、日本の核保有の可能性に関連する発言が「何らかの形でなされていた可能性を完全に排除できない」と結論づけている。